MIT KONZEPTLEICHTBAU UNGENUTZTE POTENZIALE HEBEN: ÖKONOMISCHER UND ÖKOLOGISCHER NUTZEN
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MIT KONZEPTLEICHTBAU UNGENUTZTE
POTENZIALE HEBEN:
ÖKONOMISCHER UND ÖKOLOGISCHER NUTZEN
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Weniger ist mehr. M
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INHALT VORWORT
VORWORT 03 Zu fragen, welche Funktionalität ein Produkt genau erfüllen muss und wie Design und Konstruktion dann aussehen müssen,
um diese identifizierten Funktionen zu erfüllen – das ist das Verständnis von Konzeptleichtbau in der vorliegenden Studie.
KERNBOTSCHAFTEN IM ÜBERBLICK 04 So geht es beim Konzeptleichtbau vor allem darum ein Produkt wirklich von Grund auf als Ganzes komplett neu zu denken.
Das bedeutet, dass Maßnahmen zur Gewichtsreduzierung bereits in der frühen Phase der Konzeption eines Produkts ergriffen
werden müssen.
Konzeptleichtbau geht dabei von einem möglichst Use-Case-optimierten, das heißt auf die Bedürfnisse des Kunden zuge-
KAPITEL 1 Einleitung 10
schnittenen Satzes von Anforderungen aus. Mit den daraus abgeleiteten Funktionalitäten werden Systemgrenzen konsequent
überschritten und Systemschnittstellen leichtbauoptimiert gewählt – mit bis hin zu 100 % -Gewichtseinsparung durch „Weglassen“
KAPITEL 2 Motivation in Bezug auf Leichtbaumaßnahmen 17 von Funktionen.
KAPITEL 3
Zukünftige Entwicklungen und Relevanz von Leichtbaustrategien und Konzeptlichtbauanwendungen aus 21 Durch diesen Ansatz stellt die Konzeptleichtbaustrategie eine Möglichkeit dar, signifikante Massereduktionspotenziale zu heben,
Expertensicht (Experteninterviews) ohne dabei auf teurere Materialien oder komplexere Fertigungsprozesse zurückgreifen zu müssen, was in vielen Fällen eine
wesentliche Hürde bei der Umsetzung anderer Leichtbauansätze darstellt.
KAPITEL 4 Beschreibung der Vorgehensweise und Betrachtung der Fallbeispiele 23
In besonderem Maße ist der Leichtbau für die Fahrzeugbranche relevant, die für diese Studie im Fokus steht. Leichtbau bildet
KAPITEL 5 Fallbeispiel I: Laststufenangepasste Fahrzeugstrukturen für konventionelle und hybride PKW 26 hier den Enabler einer Reihe von innovativen Fahrzeugkonzepten und Technologien, so zum Beispiel für die Elektrofahrzeuge mit
hoher Reichweite. In einigen Bereichen wird es sogar ohne intensiven (Konzept-) Leichtbau keine Möglichkeit für marktfähige
Elektromobilität geben.
KAPITEL 6 Fallbeispiel II: Batterieelektrische Fahrzeuge (PKWs) 35
Anhand von repräsentativen Fallbeispielen werden in dieser Studie die Potenziale des Konzeptleichtbaus in unterschiedlichen
KAPITEL 7 Zusammenfassung von Fallbeispiel I und II 44
Anwendungsfeldern der Fahrzeugwelt vorgestellt und quantifiziert. Dabei wird auch auf andere Branchen wie den Maschinenbau
mit eingegangen, auf die die beschriebenen Ansätze übertragbar sind.
KAPITEL 8 Fallbeispiel III: Ausblick - (Voll autonome, elektrische) „Peoplemover“ als anforderungsangepasste Fahrzeuge 46
KAPITEL 9 Fallbeispiel IV: Ausblick – (Voll autonome) LKW-Sattelzugmaschine für denFernverkehr 54
KAPITEL 10 Fallbeispiel V: Ausblick – Adaptierbare und flexible Fahrzeugkonzepte der Zukunft 61
KAPITEL 11 Fallbeispiel VI - Übertragung auf andere Branchen – Beispiel Maschinenbau 67 DR. WOLFGANG SEELIGER
Geschäftsführer der
Leichtbau BW GmbH
FAZIT UND HANDLUNGSOPTIONEN 69
LITERATUR 72
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 78
IMPRESSUM 83
02 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 03
WAS IST KONZEPTLEICHTBAU? 1. LEICHTBAU IST FÜR NACHHALTIGE MOBILITÄT UNVERZICHTBAR
Im Bereich der Anwendung von Leichtbaustrategien ergeben „Der Konzept- oder Systemleichtbau sucht das Gewichtsoptimum INTELLIGENTE LEICHTBAUANSÄTZE FÜHREN ZU EINER Mit Leichtbau ist das möglich. Die Anwendung von Leichtbau-
sich unterschiedlichste Umsetzungsmöglichkeiten. Unter Kon- für ein komplexes System oder Teilsystem unter Berücksichtigung SIGNIFIKANTEN REDUKTION DER UMWELTBELASTUNGEN. strategien und intelligenten Konzepten stellt den einzigen fahr-
zeptleichtbau wird dabei für die Studie folgende Definition ver- der notwendigen Funktionalität. Dies kann auf Gesamtfahrzeug- Autonomes Fahren, passive Sicherheit, Assistenzsysteme, zeugtechnischen Ansatz dar, mit dem neben Emissionen und
wendet: ebene, Modul- oder Komponentenebene durchgeführt werden Reichweite bei E-Mobilität – Faktoren wie diese machen den Energie auch Rohstoffeinsparungen erzielt werden und mit dem
und umfasst auch die Auswahl der passenden Bauweise und Sys- Einsatz von Leichtbau-Maßnahmen dringend erforderlich, um der negative Umwelteinfluss der Mobilität über den gesamten
temschnittstellen.“ auch künftig Ressourcen zu schonen und effizient einzusetzen. Lebenszyklus eines Produkts reduziert wird.
Im Bereich Mobilität werden in den kommenden Jahren daher Während der Produktionsphase von Fahrzeugen werden durch
signifikante Anstrengungen zur Vermeidung von klimaschäd Konzeptleichtbaustrategien insbesondere Materialien und Roh-
lichen Emissionen notwendig sein. Trotz unterschiedlichster stoffe eingespart. Durch die geringere Masse wird zusätzlich
technologischer Ansätze, wie zum Beispiel dem Einsatz von re- während der Nutzungsphase weniger Energie benötigt und
KERNBOTSCHAFTEN IM ÜBERBLICK generativen Energieträgern und innovativen Antriebstechnolo-
gien, müssen auch in Zukunft Ressourcen wie Materialien ein-
schädliche Emissionen werden verringert.
gespart werden. Diese Effekte werden in den nachfolgenden Fallbeispielen de-
1. LEICHTBAU IST FÜR NACHHALTIGE MOBILITÄT UNVERZICHTBAR tailliert behandelt und insbesondere die Potenziale in Bezug auf
Masseeinsparung, Energieeinsparung und Emissionsreduktion
in ausgewählten Szenarien dargestellt.
2. KOSTEN EINSPAREN UND WETTBEWERBSFÄHIGER WERDEN DANK KONZEPTLEICHTBAU
Einsparungseffekte während
der Nutzung
3. EINSTIEG IN EINER FRÜHEN PHASE DES ENTWICKLUNGSPROZESSES ALS ERFOLGSFAKTOR
Einsparungs-
(Gesamtfahrzeug)
effekte während
Umwelteinfluss
4. KONSEQUENTER KONZEPTLEICHTBAU FÜHRT ZU MAXIMALEM ERGEBNIS
der Produktion
5. MISSION ABSPECKEN: LEICHTBAU ALS ENABLER FÜR NEUE FAHRZEUGKONZEPTE
Produktion Nutzungsphase
Referenzfahrzeug Intelligentes Leichtbaukonzept Life Cycle
Abbildung 1: Potenziale des intelligenten Leichtbaus über den Lebenszyklus; Quelle: eigene Darstellung
04 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 05
2. KOSTEN EINSPAREN UND WETTBEWERBSFÄHIGER 3. EINSTIEG IN EINER FRÜHEN PHASE DES
WERDEN DANK KONZEPTLEICHTBAU ENTWICKLUNGSPROZESSES ALS ERFOLGSFAKTOR
IM DREIKLANG VON DESIGN, KONZEPT UND KONSTRUKTION Wirkprinzipien eingesetzt werden – selbst wenn auf eine Funk-
KÖNNEN KOSTENEINSPAREFFEKTE ERZIELT WERDEN. tionsreduktion verzichtet wird. Zugleich ermöglicht das „Neu- KONZEPTLEICHTBAUANSÄTZE MÜSSEN BEREITS IN DER Der maximale Mehrwert wird nur dann erzielt, wenn schon in ei-
Herkömmliche Leichtbauansätze sind meist geprägt durch sig- denken“ bestehender Mobilitätslösungen sogar eine Verbesse- FRÜHZEITIGEN FUNKTIONSUNTERSUCHUNG MIT INTEG- nem sehr frühen Stadium der Produktentwicklung die relevanten
nifikante Mehrkosten insbesondere im Bereich der Produktion rung der Funktion – sei es die Erhöhung von Nutzlasten oder der RIERT WERDEN. Ideen und Konzepte einfließen und alle relevanten Partner
und der Fahrzeugherstellung. Leichtbauansätze im Bereich Kon- Reichweite – welche neben sinkenden Kosten insbesondere Die Realisierung von Konzeptleichtbauansätzen in marktfähigen (OEMs, Tier1, KMUs …) mit in den Prozess einbezogen werden.
zept, Design und Konstruktion bieten einzig das Potenzial, Kos- auch zusätzliche Gewinne realisierbar macht. Dadurch profitie- Produkten ist abhängig von der direkten Einbindung in den Pro- Hierfür muss eine neuartige Zusammenarbeit zwischen allen Be-
ten zu senken. Dies wird dadurch erzielt, dass nicht auf kosten- ren sowohl Hersteller wie auch der Endkunde. Beziffert sind diese duktentstehungsprozess. teiligten entwickelt werden, um die vorhandenen Potenziale
intensive Materialien oder Fertigungsverfahren zur Masse- Effekte beispielsweise für Nutzfahrzeuge in Fallbeispiel IV (vgl. rechtzeitig oder überhaupt umzusetzen.
reduktion zurückgreifen wird, sondern innovative Konzepte und Kapitel 9, S. 54). In den frühen Phasen dieses Prozesses werden die wesentlichen
Entscheidungen getroffen, welche die Grundkonzeption eines Eine erfolgreiche Umsetzung der beschriebenen Vorgehensweise
Fahrzeugs und dessen Produktion festlegen. Werden in dieser wird in Fallbeispiel VI (vgl. Kapitel 10, S. 61) ausgeführt.
Phase nicht schon die Grundgedanken des Konzeptleichtbaus
integriert, sind Systemgrenzen und Systemschnittstellen später
Bereich Gesetzgebung nicht mehr beeinflussbar. Der Spielraum für Konzeptleichtbau-
Bereich Gesetzgebung
ideen wird somit erheblich eingeschränkt.
Aluminium Aluminium
Vorgezogener Integrationsschritt: Kunden von Anfang an in der Funktions- und Prozessabsicherung unterstützen
Gesamtkosten
Gesamtkosten
Life Cycle und Ziele
Komponentenentwicklung
Life cycle
Strategie und Generationen Programm Entwicklung der Vorbereitung für Sales,
Vorentwicklung SOP
Programm und Model Familie Lead-Modelle die Serienentwicklung Aftersales
Assuring of early vehicle maturity
Befähigungskonzept
Sicherung Zugang und Integration der Lieferanten
Frühzeitige Funktionsuntersuchung Absicherung der Serie
- Frühzeitige Abstimmung der Innovationsprozesse - Prozesse
Ziele
Stahl & Kunststoff (ohne FVK) - Maximalen Reifegrad für Produkt und Serie vorsehen - Technologien
0 EUR Stahl & Kunststoff (ohne FVK) - Frühzeitige Integration aller Beteiligten vorsehen - Lieferanten
- Frühzeitig technolog. und prozessuale Voraussetzungen schaffen - etc.
Die erfolgreiche Umsetzung von Konzeptleichtbaulösungen der KMU-Zulieferer
0%
Design / Konstruktion Design / Kontruktion • erfolgt über eine gezielte Integration dieser Lösungsansätze in die frühe Phase des Produktentstehungsprozesses beim Kunden (OEM oder Tier 1f) ohne nachgelagerte
% Gewichtsreduktion Prozessverantwortliche zu vernachlässigen
• erfordert einen Abstimmungsprozess zum richtigen Zeitpunkt mit dem richtigen vorhandenen Ideen- oder Produktreifegrad der angebotenen Lösung mit
unterschiedlichen Stakeholdern des OEM bzw. Tier 1 wie Produktstrategie, Entwicklung, Produktion, Qualität etc.
% Gewichtsreduktion • erfordert eine Überprüfung der gegenwärtigen Form der Zusammenarbeit mit dem OEM sowie der Positionierung des Unternehmens in der Lieferantenpyramide
Abbildung 2: Bewertung von unterschiedlichen Leichtbauansätzen in Bezug auf die Gesamtkosten; Quelle: [ICCT2016c]
0€
0% Abbildung 3: Frühzeitige Integration von Konzeptleichtbaulösungen in den Produktentstehungsprozess; Quelle: [Darstellung TMG Consultants]
06 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 07
4. KONSEQUENTER LEICHTBAU FÜHRT ZU MAXIMALEM ERGEBNIS 5. MISSION ABSPECKEN: LEICHTBAU ALS ENABLER FÜR NEUE FAHRZEUGKONZEPTE
DER FAHRZEUG-FRONTANTRIEB ALS BEISPIEL FÜR KON- Masseeinsparungspotenzial im entsprechenden Zeitraum. Die- REIN BATTERIEELEKTRISCHE FAHRZEUGE MIT HOHER mussten bereits diverse Maßnahmen zur Gewichtsreduktion un-
ZEPTLEICHTBAU FÜHRTE IM U.S. AMERIKANISCHEN ser eine Ansatz realisierte im genannten Zeitraum dieselben REICHWEITE STELLEN EINE BESONDERE HERAUSFOR- ternommen werden, um die zulässigen Achslasten zu erreichen;
MARKT ZU MASSEEINSPAREFFEKTEN VON ÜBER 200 KG. Masseeinsparungen wie alle anderen angewandten Ansätze des DERUNG IM BEREICH LEICHTBAU FÜR PKW UND NUTZ- bei BEV ist die Herausforderung umso größer. Der Stellhebel hier-
Durch den Einsatz von Konzeptleichtbauansätzen sind signifi- Materialleichtbaus, was aus der folgenden Abbildung hervor- FAHRZEUGE DAR. für ist der Leichtbau: Entsprechende Ansätze erlauben die Opti-
kante Masseeinsparungen realisierbar, wenn bestehende Sys- geht. Aktuelle und künftige Konzeptleichtbauansätze sowie de- Bereits heute erreichen einige Fahrzeugklassen regulatorische mierung von Nutzlast oder Reichweite, zum Beispiel bei elektrisch
temgrenzen überschritten und Schnittstellen neu definiert werden. ren Potenziale in unterschiedlichen Anwendungsfeldern werden oder technische Grenzen, so zum Beispiel Oberklasse-PKW, Nutz- betriebenen Fahrzeugen. Bestimmte Fahrzeugkonzepte (beispiels-
So erzielte etwa die Einführung des Frontantriebs bei PKWs im in den Fallbeispielen aufgegriffen. fahrzeuge oder Vans. Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs wird weise kleine Nutzfahrzeuge mit Wechselaufbauten – vgl. Fallbei-
U.S. amerikanischen Markt zwischen 1980 und 1990 das größte neben weiteren Entwicklungen bei Komfort oder neuen Interi- spiel V, Kapitel 10, S. 61) können innerhalb fest vorgegebener Sys-
eur-Konzepten das Fahrzeuggewicht massiv in die Höhe treiben. temgrenzen wie etwa Achslastvorgaben nur durch systematischen
Die nachstehende Abbildung zeigt dies anhand eines PKWs mit Leichtbau realisiert und in den Markt eingeführt werden.
unterschiedlichen Antriebsformen auf: Für das PHEV-Fahrzeug
0
Frontantrieb
- 200
Gewichtsred. in Maßnahmen (kg)
Konstruktionsmethode/Bauart
Grenzgewicht
für die zulässige
Achslast
- 400 Materialien
Motorzylinder
- 600
- 800
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Abbildung 4: Beispiele der Massereduktion durch unterschiedliche Maßnahmen bei PKWs seit 1975 (U.S.); Quelle: [ICCT2016c] Abbildung 5: Beispielplattform BMW 5er (BMW 530eiPERFORMANCE); Quelle: in Anlehnung an [Schek2017a]
08 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 09
KAPITEL 1 900
Anzahl Veröffentlichungen [-]
800
700
600
EINLEITUNG 500
400
1.1 LEICHTBAUSTRATEGIEN UND -TECHNOLOGIEN, „… Der Konzept-Leichtbau wählt die beste bzw. geeignetste 300
DEFINITION Bauweise aus dem Verhältnis zwischen Funktion und Masse ei- 200
nes Systems oder Teilsystems. …“ [Friedrich2017a] 100
Im Bereich der Anwendung von Leichtbau ergeben sich unter- 0
schiedliche Möglichkeiten und Leichtbaustrategien. Dabei kann je- „ … Konzeptleichtbau, der sich durch systematische Auswahl der 2000 2005 2010 2015 2020
doch nicht davon ausgegangen werden, dass neue Fahrzeugkon- einzelnen Komponenten mit optimaler Anpassung an das Ge- Veröffentlichungsjahr [-]
zepte per se etwas mit Konzeptleichtbauansätzen zu tun haben. samtsystem inklusive Komponentenanordnung (Package) und
Design auszeichnet …“ [Haldenwanger1997] Patente - Offenlegungen - ESPACENET Patente - Offenlegungen - DEPATISnet
Neben dem Konzeptleichtbau werden insbesondere Ansätze im Be-
Abbildung 7: Übersicht von Patentveröffentlichungen; Zusammenstellung basierend auf Datenquelle: [Espacenet2018, Depatisnet2018]
reich Stoffleichtbau, Formleichtbau, Fertigungsleichtbau und Bedin- „ … Der größte Stellhebel für den Konzeptleichtbau liegt sicher
gungsleichtbau verfolgt. in der vollkommenen Neudefinition einer Fahrzeugarchitektur.
Die Definition des Begriffs „Konzeptleicht- bzw. Systemleichtbau“ …“ [Friedrich2017a]
wird dabei teilweise unterschiedlich beschrieben:
Auf Grund der teilweise unterschiedlichen Interpretationen, wird für 1.3 PUBLIKATIONSANALYSE IN BEZUG AUF
„…Der Konzeptleichtbau, teilweise auch als Systemleichtbau die Studie und die durchgeführten Experteninterviews folgende De- LEICHTBAUAKTIVITÄTEN
bezeichnet, zeichnet sich durch die Betrachtung des Gesamt- finition angenommen:
bzw. Teilsystems aus. Durch die systematische Betrachtung ge- „Der Konzept- oder Systemleichtbau sucht das Gewichtsoptimum Um die Tendenzen aus der Patentrecherche abzugleichen, wird s ergibt sich eine stetig steigende Anzahl von Veröffentlichungen
E
eigneter Strukturbauteile, Komponenten und Module und deren für ein komplexes System oder Teilsystem unter Berücksichtigung des Weiteren eine Scopus-basierte Meta-Recherche von Veröf- seit 2003 zum Thema Leichtbau.
Anpassung dieser an das Gesamt- bzw. Teilsystem wird die Mas- der notwendigen Funktionalität. Dies kann auf Gesamtfahrzeugebe- fentlichungen durchgeführt (Datenquelle: [Scopus2018)]. Hierfür
se des Gesamtsystems gesenkt. Die Einbindung neuer Lastpfa- ne, Modul- oder Komponentenebene durchgeführt werden und um- liegt eine stichwortausgerichtete Recherchestrategie zugrunde, ie Veröffentlichungsanzahl im Zeitraum von 2000 bis 2017 hat
D
de oder die Entwicklung von Strukturen mit höherer Teile- und fasst auch die Auswahl der passenden Bauweise und System- wie diese in Abbildung 8 dargestellt ist. sich um den Faktor 4,5 vervielfacht.
Funktionsintegration sind Beispiele hierfür. Dies kann die Anord- schnittstellen.“
nung der Komponenten (Package) und das Design einer Kompo- In Bezug auf die Auswertung der Anzahl der Veröffentlichung sind ie Steigerungsrate zwischen 2010 und 2017 liegt bei jährlich
D
nente zwar erheblich beeinflussen, aber damit die Masse des 1.2 PATENTANALYSE IN BEZUG folgende Rechercheergebnis relevant: ca. 12 %.
Gesamtsystems signifikant verringern. …“ [Henning2011] AUF LEICHTBAUAKTIVITÄTEN
„ …Konzeptleichtbau, der die systematische Auswahl der einzel- Zur Abschätzung der Relevanz von zukünftigen Leichtbauansätzen
nen Komponenten mit optimaler Anpassung an das Gesamtsys- insbesondere im für Deutschland relevanten Mobilitätssektor er-
tem inklusive Komponentenanordnung und Design …“ folgt als erstes eine stichwortbasierte Patentrecherche. Dabei wer- Komponentenspezifisch
[Schmidt2000] den Recherchen in den Datenbanken von Espacenet und Depatis- Interieur Karosserie Fahrwerk
net auf Grund von Umfang und Ausrichtung der Datenbanken Fahrzeug Leichtbau
durchgeführt (vgl. dazu auch [Espacenet2018, Depatisnet2018] und Batterie /
Umfeldleichtbau Umwelt- und Systemleichtbau Antrieb Sonstige
Ökoleichtbau Einschätzung nach [Gassmann2011, Gassmann2017]). Energiesp.
Zweckleichtbau Funktionsleichtbau
Die Stichwortrecherche bezieht sich auf den Bereich „Leichtbau“,
Sparleichtbau
Modulleichtbau wobei die statistische Systematik der Wirtschaftszweige der Euro- „Nicht materialspezifisch“ „Materialspezifisch“
Bedienungs- Konzept- päischen Gemeinschaft (NACE Rev. 2 – 26) insbesondere für die
leichtbau leichtbau Magnesium Aluminium Stahl
folgenden Bereiche angewendet werden:
Konzept-
Werkstoff- leichtbau Titan Faserverbund MMD / Hybrid
leichtbau
anufacture of Motor Vehicles (29.1): B60B /
M
Manufacture of Parts and Accessories for Motor Vehicles (29.3):
LEICHTBAU- Verbund- B60W
Fertigungs-
leichtbau
STRATEGIEN Stoff-
leichtbau
leichtbau Abbildung 8: Stichwortausgerichtete Recherchestrategie; Quelle: eigene Darstellung
Aus der Analyse des zeitlichen Verlaufs in Abbildung 7 ist insbeson-
dere folgendes hervorzuheben:
Form- eit 2010 ist eine stetig steigende Anzahl von Patentveröffentli-
S
leichtbau
chungen zum Thema Leichtbau zu erkennen.
Veröffentlichungen im Bereich „Leichtbau für Fahrzeuge“ sind im
Zeitraum von 2000 bis 2017 um den Faktor 3,3 gestiegen.
Strukturleichtbau Gestaltleichtbau Der CAGR Wert („Compound Annual Growth Rate”) für 2010 bis
2017 liegt im Bereich von 15 % – 17 %.
Abbildung 6: Übersicht Leichtbaustrategien; Quelle: [Kopp2011]
10 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 11
1600
Anzahl Veröffentlichungen
1400
Bei der Analyse der Unterscheidung zwischen „Nicht materialspe- ahrscheinlich sind größere Anwendungsfelder des Konzept-
W
1200 zifischen“ und „Materialspezifischen“ Veröffentlichungen ergibt leichtbaus in der Praxis vorhanden, da diese direkt im Produkt-
sich folgendes Bild: entstehungsprozess integriert sind und zur erfolgreichen Um-
1000
setzung von Produkten beiträgt. Hinweise hierfür ergeben sich
800 Scopus ref. C
a. 70 % sind „Materialspezifische Veröffentlichungen“ daraus, dass ca. 40 % - 50 % aller Veröffentlichungen auch Hin-
[-]
600 Veröffentlichungen im weise auf „System- und Funktionsansätze“ beinhalten.
Bereich a. 30 % der Veröffentlichungen sind „Nicht Materialspezifi-
C
400 "Fahrzeugleichtbau" sche Veröffentlichungen“ ine direkte Einbindung von Konzeptleichtbauansätzen in ei-
E
200 nem frühen Stadion der Produktentwicklung erscheint zielfüh-
a. 3 – 4 % der Veröffentlichungen konnten den Ansätzen des
C rend und notwendig.
0 Konzeptleichtbaus zugeordnet werden („Expertenauswertung
2000 2005 2010 2015 2020 der „nicht materialspezifischen“ Quellen aus 2015, 2016 und
Veröffentlichungsjahr [-] 2017).
Abbildung 9: Übersicht von Veröffentlichungen; Zusammenstellung basierend auf Datenquelle: [Scopus2018]
Thematische Verteilung
V "Fahrzeugleichtbauveröffentlichungen"
Zusätzlich zu diesen absoluten Kennzahlen ergeben sich bei spezi- Karosserieanwendungen stehen seit 2000 mit ca. 15 % im 100%
fischen Auswertungen, die im Folgenden zusammen gestellten Hauptfokus von Leichtbauveröffentlichungen. 90%
Rückschlüsse:
[%]
eben diesen Anwendungen sind auch Leichtbauveröffentli-
N 80%
Veröffentlichungen
a. 40 % alle Veröffentlichungen können spezifischen Haupt-
C chungen zu Themen im Interieur (4 % – 7 %), für Fahrwerks-
komponenten von Fahrzeugen zugeordnet werden. anwendungen (3 % – 5 %), Batterie- und Energiespeicherkom- 70% Nicht materialspezifisch
ponenten (6 % – 10 %) und im Bereich des Antriebsstrangs
60% Titan
s liegt eine relativ konstante Zuordnung der Leichtbauveröf-
E (2 % – 3 %) vertreten.
fentlichungen zu den einzelnen Fahrzeughauptkomponenten vor. 50% Stahl
40% Multimaterial / Hybrid
Verteilung V
30% Magnesium
20% Faserverbund
V
45,0% 10% Aluminium
Verteilung Veröffentlichungen [%]
40,0% 0%
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
35,0% Veröffentlichungsjahr [-]
V
Interieur
30,0%
Karosserie Abbildung 11: Übersicht von Veröffentlichungen in Bezug auf Werkstoffzuordnung; Zusammenstellung basierend auf Datenquelle: [Scopus2018]
25,0%
Fahrwerk
20,0%
Batterie /
Energiepeicher
15,0%
Antrieb
10,0%
5,0%
0,0%
00
01
02
03
05
06
07
08
09
10
11
12
13
15
16
17
04
14
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
Veröffentlichungsjahr [-]
Abbildung 10: Übersicht von Veröffentlichungen in Bezug auf Fahrzeughauptkomponenten; Zusammenstellung basierend auf Datenquelle: [Scopus2018]
12 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 13
Aluminium Eine spezifische Möglichkeit im Bereich des Konzeptleichtbaus Masseeinsparpotenziale, die in unterschiedlichen Veröffentlichun-
sind Ansätze durch Analyse von Funktionen und Funktionsintegra- gen hierzu angegeben werden, liegen im Bereich zwischen 10 %
Aluminium, 13,6% Faserverbund tion. Hauptvorteile ergeben sich hierbei durch folgende Methoden und > 60 % für spezifische Einzelkomponenten (vgl. Abbildung 14).
Magnesium (vgl. [Ziebart2012]):
Sonstige, 25,3%
Multimaterialdesign / E rweitern durch integrale Lösungen
Hybrid
M öglichkeiten finden durch Abstraktion
Stahl V orhandene Möglichkeiten ausschöpfen
Titan L ösungsumfang erweitern
Ü
berflüssige Bauteiltrennung überwinden
O
ptimales Zielobjekt finden
Faserverbund,
"Konzept- 23,5%
leichtbau", 2,8%
Titan, 2,0%
"Gewichtsreduktionspotential durch Funktionsintegration" (Literaturangaben n = 30) Funktionsintegration >= 10%
Funktionsintegration >= 20%
Stahl, 10,4%
Funktionsintegration >= 30%
Funktionsintegration, >= 60%,
Magnesium, 3,8% 13,8%
Funktionsintegration, >= 10%,
17,2% Funktionsintegration >= 40%
Funktionsintegration >= 50%
Multimaterialdesign /
Hybrid, 18,5% Funktionsintegration >= 60%
Funktionsintegration, >= 50%,
Abbildung 12: Detailauszug – Zusammensetzung der Veröffentlichungen in 2017; Zusammenstellung basierend auf Datenquelle: [Scopus2018] 10,3%
Funktionsintegration, >= 20%,
Funktionsintegration, >= 40%, 27,6%
Produktentstehungsprozess 17,2%
Planung Konzeption Entwurf Ausarbeitung
Konzeptleichtbau Funktionsintegration, >= 30%,
13,8%
Bedingungsleichtbau
Funktionsleichtbau Abbildung 14: Leichtbaupotenziale durch Funktionsintegration, Auswertung von Veröffentlichungen zum Thema; Quelle: [Ziebart2012]
Wirkleichtbau
Strukturleichtbau
Gestaltleichtbau Eine besondere Herausforderung für Leichtbauansätze spielt ins- Insbesondere die Ansätze im Bereich Bedingungs-, Konzept-
besondere der Kostendruck bei der Produktentwicklung. Veröf- und Formleichtbau können auf Grund ihrer Unabhängigkeit von
Werkstoffleichtbau fentlichungen zur Bewertung der Kostensituationen in Bezug auf Kostenrahmenbedingungen (höhere Materialpreise, höhere In-
unterschiedliche Leichtbaumaßnahmen ergeben folgendes Bild: vestitionen für Anlagen, …) auch bei preissensitiven Produk-
Fertigungsleichtbau
ten Anwendungen finden und im besten Fall sogar Kostenre-
L eichtbaumaßen im Bereich der Konzeption, des Designs und duktionspotenziale aufweisen.
des Materialleichtbaus mit Stahl, Aluminium und Kunststoff
können in Zukunft für fahrzeugtechnische Anwendungen kos-
tenattraktiv sein (vgl. Abbildung 15).
Abbildung 13: Einbindungsmöglichkeiten von Leichtbaustrategien in den Produktentstehungsprozess, Quelle: eigene Darstellung
14 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 15
Bereich Gesetzgebung KAPITEL 2
Aluminium
MOTIVATION IN BEZUG AUF LEICHTBAU-
MASSNAHMEN
Gesamtkosten
Die Motivation für die Anwendung von Leichtbauansätzen ist sehr meinung beim 5. Technologietag Hybrider Leichtbau, Stuttgart,
vielfältig und wird beispielsweise aus Expertensicht im Bereich der 2018 vgl. Abbildung 17).
Ressourcenschonung und der Nachhaltigkeit gesehen (Experten-
Stahl & Kunststoff (ohne FVK)
0
0%
Design / Konstruktion
% Gewichtsreduktion
Abbildung 15: Bewertung von unterschiedlichen Leichtbauansätzen in Bezug auf die Gesamtkosten; Quelle: [ICCT2016c]
Werden die in der Literatur aufgeführten Konzeptleichtbauansätze er Mehrwert des Konzeptleichtbaus ergibt sich durch die sys-
D
systematisch verglichen ergibt sich die grundsätzliche Vorgehens- tematische Vorgehensweise im Rahmen der Optimierung von
weise, wie diese in Abbildung 16 dargestellt ist und die folgenden Funktionen, Geometrie- und Bauraum (inkl. Bauweisenbe-
Charakteristika beinhaltet: trachtung), Optimierung von Medien und elektrischen Kompo-
nenten und der Optimierung weiterer, nicht funktionaler An-
auptmerkmal ist die systematische Einbeziehung der Anfor-
H forderungen (z. B. Qualitätsanforderungen)
derungen, die optimale Auswahl der Systemgrenzen und die
leichtbauoptimierte Auswahl der Systemschnittstellen.
Abbildung 17: Experteneinschätzung im Rahmen des 5. Technologietag Hybrider Leichtbau, Stuttgart, 2018
System- und Leichtbauoptimierte Auswahl der Systemgrenzen
Komponenten-
anforderungen Funktionsoptimierung
2.1 RIMÄR- UND SEKUNDÄREFFEKTE DER
P
ANWENDUNG VON LEICHTBAUSTRATEGIEN
Geometrie- / Bauraumoptimierung
Komponenten- Werden im Detail spezifische Leichtbauanwendungen betrach- ger2016, Henning2011, Friedrich 2013, Friedrich2017a, Ko-
gestaltung tet, ergibt sich folgendes Bild (Zusammenstellung aus: [Pischin- enig2016, Klein2013]):
Leichtbauoptimierte
Optimierung von Medien und Auswahl der
elektrischen Komponenten Systemschnittstellen
Auswahl von optimierten
PRIMÄREFFEKTE SEKUNDÄREFFEKT
Nicht-funktionale, sonstige Optimierung
Wirkprinzipien /
Umsetzungsmöglichkeiten eduzierung der Gesamtwiderstands und somit des Energiever-
R Reduzierung der notwendigen Antriebs- und Bremsleistung, sowie
brauch während des Betriebs von rotierenden Massen
Geringerer Ressourcenverbrauch (z. B. Energieverbrauch bei Auslegung der Sicherheitsstrukturen auf geringere Masse (Ener-
Abbildung 16: Grundsystematik von Konzeptleichtbauansätzen; Quelle: eigene Darstellung
Herstellung / Entsorgung / …, Materialverbrauch von Rohstof- gieabsorber für passive Sicherheit…)
fen…) Verringerung der Infrastrukturbelastung (geringere statische und
Reduzierung der Emissionen (CO2…) während Herstellung, Be- dynamische Achslasten bzw. Radlasten; geringere Instandhal-
trieb und Entsorgung tungskosten…)
Verbesserung der Fahrdynamik (Beschleunigungswerte beim An- Reduzierung der Kosten während des Betriebs durch geringeren
fahren, Reduzierung der ungefederten Massen, Verbesserung Energieverbrauch, geringeren Verschleiß (z. B. Bremsen) …
der Achslastverteilung und der Schwerpunktlage…) Reduzierung der Kosten des Gesamtsystems, z. B. durch Ein-
Erhöhung der Nutzlast bzw. Verringerung der Fahrzeugleermasse sparung teurer Komponenten (Speicher…)
(„Payload“)
16 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 17
2.2 Z UKÜNFTIGE TREIBER UND HEMMNISSE FÜR Die Einflussfaktoren vom Gesetzgeber sind wie folgt einzuschätzen
LEICHTBAUANWENDUNGEN und werden auch in Zukunft einen der wichtigsten Treiber darstellen China 2003: 2013
210
Emissionen, normiert auf NEFZ [g / km]*
(vgl. dazu auch Abbildung 18 bis Abbildung 20): USA 2000: 205
200
Zukünftige Treiber und Hemmnisse sind besonders in folgenden
Zielsetzungen und Planung CO2-
190 Japan 2000: 187
4 Clustern zu finden: Vorgabe von Zielwerten (z. B. globale und lokale Emissionen)
Einfahrbeschränkungen 180
esetzgeber
G Führerscheinklassen 160 EU 2000: 172 China 2016: 151
Mexico 2016: 145 USA 2020: 125
Kunde / Nutzer / Mobilitätsbedarf Fahrzeugzulassung 140
Infrastruktur / Wettbewerber Etc. Brazil 2017: 138
120 EU 2016: 118 China 2020: India 2021: 113
technologische Fortschritte Japan 2016: 115 117 Japan 2023: 105
100 S. Korea 2020: 97 Canada 2025: 97
USA 2025: 97
EU 2021: 95
80
EU 2025: 81 (-15% zu 2021) EU 2030: 67 (-30% zu 2021)
60 ICCT mod. target
ICCT str. target analyse 2030: 60
40 analyse 2030: 42
German Federal Ziel: Dekarbonisierung des
Verkehrs: 0 + ern. Energien
Energiebedarf Verkehr (Deutschland) 20 Environment Agency
2030: 29 - 38 (Paris)
0
800 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
700 Jahr * Bis 2016 „Ist-Werte“
Energiebedarf [TWH]
> - 35 %
600 Abbildung 20: Zielsetzung – Reduzierung Emissionen und CO2 Grenzwerte, Quelle: eigene Zusammenstellung aus [Friedrich2017b, Puls2018, ICCT2016d;
Greenpeace2016, Greenpeace2017, ICCT2018]
500
400
Einflussfaktoren vom Kunden / Nutzer sind wie folgt einzuschätzen: Langfristige Planung und Umsetzung
300 Teilweise „gewachsene Strukturen / Infrastruktur“
200 Individuellen Zielwerten Entwicklung von unterschiedlichsten Faktoren abhängig
Variantenvielfalt Etc.
100
Kostendruck
0 Heterogener Markt (teilweise schon gesättigt; teilweise noch Wettbewerber und technologische Fortschritte sind besonders auf
2000 2010 2020 2030 2040 2050 hohe Zuwachsraten zu erwarten) Grund von folgenden Kriterien zu berücksichtigen (vgl. dazu auch
Jahr Etc. Abbildung 21):
Abbildung 18: Zielsetzung – Reduzierung Energieverbrauch im Verkehr; Quelle: [UBA2014] Im Rahmen des Mobilitätsbedarfs und Infrastruktur müssen folgende berkapazität Fahrzeugproduktion
Ü
Rahmenbedingungen berücksichtigt werden: Technologische Fortschritte für Kundenmehrwert
Gewinnorientiert
Etc.
Emissionen der in die Zieldefinition einbezogenen Handlungsfelder
1990 2014 2030 Minderung 2030
Handlungsfelder (in Mio. t CO2-Äq.) (in Mio. t CO2-Äq.) (in Mio. t CO2-Äq.) ggü. 1990
Energiewirtschaft 466 358 175 - 183 62 - 61 %
Gebäude 209 119 70 - 72 67 - 66 %
Verkehr 163 160 95 - 98 42 - 40 %
Industrie 283 181 140 -143 51 - 49 %
Landwirtschaft 88 72 58 - 61 34 - 31 %
Teilsumme 1209 890 538 - 557 55 – 54 %
Sonstige 39 12 5 87 %
Gesamtsumme 1248 902 543 - 562 58 - 55 %
Abbildung 19: Ziele für Treibhausgasemissionen in Deutschland – Klimaschutzplan 2050, Quelle: eigene Darstellung basierend auf Basis Daten BMU
18 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 19CO2-Emissionen von Automobilherstellern in Europa
KAPITEL 3
200
ZUKÜNFTIGE ENTWICKLUNGEN elche Möglichkeiten und Voraussetzungen sind bei Ihnen im
W
EU 130 gr. CO2/ UND RELEVANZ VON LEICHTBAU- Unternehmen vorhanden, um Konzept-Leichtbaubeiträge auch
CO2-Emissionen [Gramm CO2/km]
2000 kg. Jaguar Land Rover
STRATEGIEN UND KONZEPTLEICHT- Ihren Kunden (z. B. Fahrzeughersteller, Tier 1, …) anbieten zu
150 Volvo
Toyota BAUANWENDUNGEN AUS EXPERTENSICHT können?
EU 95 gr. CO2/
Renault-Nissan (EXPERTENINTERVIEWS) Leichtbau ist kein Selbstzweck. Welchen Mehrwert kann aus Ih-
2000 kg. Hyundai-Kia rer Sicht in Zukunft durch die Anwendung „des Leichtbaus“ er-
PSA
zielt werden?
100 Ford
EU 130 gr. CO2/ 3.1 AUFBAU UND METHODIK DER BEFRAGUNG Wie wird der Mehrwert des Leichtbaus im Unternehmen bzw. in
1000 kg. Volkswagen
FCA der eigenen Branche definiert?
Daimler Im Rahmen der Studie erfolgte eine Befragung mit Experten aus Welche Auswirkungen der Anwendung insbesondere des Kon-
EU 95 gr. CO2/ BMW zehn unterschiedlichen Unternehmen (OEMs, Tier 1, Entwicklungs- zeptleichtbaus sehen Sie in Ihrem Unternehmen in Bezug auf
50
1000 kg.
dienstleister, Aufbauhersteller, Beratung, Forschung, Entwicklung, technologische, ökonomische und ökologische Entwicklungen?
Betreiber, etc.) zum Thema „Konzeptleichtbau“. Hierbei handelt es
sich um eine qualitative Erhebung (Experteninterviews von ca. 1 Die Befragung wurde durchgeführt, um Motive und zukünftige Ten-
0 Jahr Stunde) mit folgenden Leitfragen: denzen zum Einsatz von Konzeptleichtbauansätzen zu analysieren
2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 und das Gesamtbild aus Patentanalyse und Veröffentlichungsre-
ewinnt der Leichtbau in Zukunft an Bedeutung?
G cherche abzurunden.
Abbildung 21: Vergleich der Entwicklung der Emissionen; Quelle: eigene Darstellung basierend auf Basis Daten ICCT Bei welchen Komponenten, Modulen, Systemen werden Leicht-
bautechnologien aktuell in Ihrem Unternehmen eingesetzt? 3.2 ZUSAMMENFASSUNG DER BEFRAGUNGEN
Was verstehen Sie unter „Konzeptleichtbau“ und welche Leicht-
bautechnologien und -strategien werden bei Ihnen im Unterneh- Die Zusammenfassung der Tendenzen, die aus Expertensicht zu er-
Als sehr spezifisches Hemmnis für Leichtbaumaßnahmen ist aktuell Auf Grund dessen, dass ein gewichtsbasiertes Zielsystem Leicht- men angewendet? warten sind im Bereich technische, wirtschaftliche und ökologische
das gewichtsbasierte CO2-Zielsystem innerhalb der EU zu sehen. baumaßnahmen nicht im gleichen Maße unterstützt, wie andere Trends, sind in Abbildung 23 bis Abbildung 25 dargestellt.
Dies hat zur Folge, dass Hersteller einen gewissen Anteil der Maßnahmen, geht das International Council on Clean Transportati-
CO2-mindernden Leichtbaueffekte durch geringere Grenzwerte Ih- on (ICCT) davon aus, dass hierdurch die Kosten zur CO2-Zielerrei-
PKW NFZ Schiene Maschinenbau
rer Fahrzeugflotte relativieren müssen (vgl. Abbildung 22). chung von 70 g/km um 250 Euro bis 500 Euro pro Fahrzeug höher
Techn. Aktuell Zukünftige Aktuell Zukünftige Aktuell Zukünftige Aktuell Zukünftige
liegen werde, als bei einem aufstandsflächenbasierten Zielsystem. Kriterien Tendenz Tendenz Tendenz Tendenz
[Mock2017] CO2-
+ 0 - 0
Emissionen
Energie-
+ / + / + +
verbrauch
Auslegung
Gewichtsbasiertes Aufstandsflächenbasiertes
Sicherheits- + 0 - -
Zielsystem Zielsystem strukturen
Verbesserung
CO2 [g/ CO2 [g/ + - - 0/+
Fahrdynamik
km] - 100 kg km]
- 100 kg Verbesserung
Nutzlast / 0 0/+ / 0/+ / -
Achslast
- 5 g/km - 5 g/km
Abbildung 23: Zusammenfassung der technischen Tendenzen, die aus Expertensicht zu erwarten sind; Quelle: eigene Darstellung
PKW NFZ Schiene Maschinenbau
Wenn Fahrzeughersteller Leichtbaumaßnahmen Fahrzeughersteller profitieren vollständig von Wirtsch. Aktuell Zukünftige Aktuell Zukünftige Aktuell Zukünftige Aktuell Zukünftige
einleiten, wird der meiste Effekt durch die den CO2-Einsparungspotentialen durch Kriterien Tendenz Tendenz Tendenz Tendenz
stringenteren CO2-Zielvorgaben Leichtbau
vorweggenommen. „Antriebs-
leistung“ + 0 0 +
reduzieren
Fahrzeuggewicht [kg] Fahrzeuggröße [m ]
Auslegung
Sicherheits- + 0 - -
Abbildung 22: Auszug Emissionen: Aktuelles System in der EU beruht auf einem gewichtsbasierten Zielsystem; Quelle: [Mock2013, Mock2017] strukturen
Verringerung
Infrastruktur- 0 + + -
belastung
Reduzierung
- - - -
Kosten
Abbildung 24: Zusammenfassung der wirtschaftlichen Tendenzen, die aus Expertensicht zu erwarten sind; Quelle: eigene Darstellung
20 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 21PKW NFZ Schiene Maschinenbau KAPITEL 4
Ökol. Aktuell Zukünftige Aktuell Zukünftige Aktuell Zukünftige Aktuell Zukünftige
Kriterien Tendenz Tendenz Tendenz Tendenz
Reduzierung
+ 0 0 0 BESCHREIBUNG DER VORGEHENSWEISE
Emissionen
UND BETRACHTUNG DER FALLBEISPIELE
Reduzierung
Energie- + + + +
verbrauch Um die statisch analysierten Entwicklungen und Expertenmeinun- Rahmen der Studie beleuchtet werden. Es ist aber aufgrund der
Reduzierung gen zu konkretisieren und mögliche Potenziale unter Berücksichti- Vielzahl der Anwendungsmöglichkeiten und technischen Realisie-
Ressourcen- + / + / + / + gung zukünftigen technologischen Tendenzen (Elektrifizierung, rungsmöglichkeiten in Zukunft ein weiteres erhebliches Potenzial
verbrauch
Automatisierung, Digitalisierung, etc.) zu quantifizieren, werden zu erwarten.
Abbildung 25: Zusammenfassung der ökologischen Tendenzen, die aus Expertensicht zu erwarten sind; Quelle: eigene Darstellung ausgewählten Ansätzen im Rahmen von Fallbeispielen betrachtet. Die Systematik der Fallbeispiele in den folgenden Kapiteln ist in
Die Konzept-(leichtbau-)ansätze sind dabei (natürlich) nicht voll- Abbildung 26 dargestellt:
ständig dargestellt. Nur ein Teil möglicher Varianten konnte im
Spezifische Statements und Aussagen, die aus Sicht der Experten
„Bei Elektrofahrzeugen ist vor allem das Mehrgewicht und die
relevant sind, können folgendermaßen zusammengestellt werden: Nutzlastreduzierung relevant. Jedoch auch Rekuperation ist
nicht zu 100 % möglich.“ A Konzeptansätze B Techn. Potential C Einsatzszenarien D Bewertung
„ Leichtbau darf nichts kosten.“ „Ohne einen systematischen Leichtbau werden wir die zukünfti-
„Leichtbau wird nur angewendet, wenn der Kunde einen Mehr- gen Ziele (Energie- und CO2-Einsparung) nicht erreichen.“
wert davon hat und diesen auch bezahlt.“ „… Es kann sich niemand mehr leisten, keinen Leichtbau im Be-
„Leichtbau wird vor allem dann relevant, wenn „harte Kriterien“ reich Mobilität zu betreiben. Nur Produkte und Fahrzeuge, die Bewertung der Ansätze
Festlegung des Datenerfassung und
(Führerscheinklasse, Achslasten, …) eingehalten werden müs- optimal für die spezifischen Anforderungen ausgelegt und die Analyse und Ableitung in Bezug auf
Fallbeispiels und Klärung der Annahmen
sen.“ technischen Potenziale voll ausschöpfen, sind und werden auch von technischen technisches,
Beschreibung der für die ausgewählten
„Eigener Vorteil von Leichtbaumaßnahmen (für das Unterneh- in Zukunft am Markt erfolgreich sein. …“ Potentialen ökologisches und
Ansätze Szenarien
men) wird aktuell nicht gesehen.“ ökonomisches Potential
„Zusätzliche Schnittstellen stellen immer ein Mehrgewicht dar.“ Interviewzitat: Herr Ulrich Schiefer, AtTrack GmbH
„Wechselaufbauten bei Nutzfahrzeugen reduzieren die Nutzlast
um bis zu 20 %.“ Abbildung 26: Einzelschritte der Vorgehensweise für die Fallbeispiele; Quelle: eigene Darstellung
Die Auswahl der Fallbeispiele ist so getroffen worden, dass ein mög-
lichst breites Anwendungsfeld und die jeweils spezifischen Heraus-
forderungen aufgezeigt werden kann (vgl. nachfolgende Abbildung).
Annahme für Fallbeispiele
Fahrzeug-
kategorie / -art
Sonstige V V
NFZ IV IV IV
Busse III
Kleinfzg. I I
PKW I I II
Mittelkl.
Oberkl. I I
Konv. Hybrid Batterie- Brenn-
elektrisch stoffzelle Antriebsart
Abbildung 27: Auswahl Fallbeispiele; Quelle: eigene Darstellung
22 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 23Die gewählten Fahrzeugkategorien repräsentieren wichtige Markt- Für die Abschätzung möglicher Potenziale wird insbesondere auf Fallbeispiel I und II gesamtheitlich betrachtet und eine grobe Ab-
segmente, wie die nachstehenden Darstellungen anhand Marktgröße folgende Kriterien eingegangen: schätzung in Bezug auf die daraus folgenden Potenziale weltweit
und Wachstumsrate aufzeigen. angegeben.
Kriterien, die qualitativ bewertet werden:
Auswahlkriterien für Fallbeispiele - Fahrdynamik Das angegebene Marktpotenziale beinhalten des Weiteren nicht
CAGR in Bezug auf
- Sicherheit den Umsatz der Neufahrzeuge, sondern nur die maximalen Leicht-
Stand: 2016 / 2017
Neuzulassungen - Kostenreduktion baumehrkosten (Euro/kg Masseeinsparung) aus einer betriebswirt-
zwischen 2015 - - Infrastrukturbelastung schaftlichen bzw. Life-Cycle-Costing (LCC) Betrachtung (siehe Ab-
2017
5,0 % bildung 30 und Abbildung 31).
4,0 % Lastkraftwagen riterien, die im Rahmen von Szenarien quantitative abgeschätzt
K
3,0 % Kraftomnibusse
werden: Der Vorteil dieser Betrachtung liegt darin, dass zum einen ein ein-
PKW - Potentielle Fahrzeuggewichte / Gewichtsreduktionen heitliches, nachvollziehbares „Marktpotenzial“ (Umsätze, die aus
2,0 %
- Potentielle Materialeinsparung / red. Ressourcenverbrauch betriebswirtschaftlicher Sicht für Leichtbauanwendungen ausgege-
1,0 % Sattelzugmaschinen durch Masseeinsparung bezogen auf Neuzulassungen in ben werden dürften) ermittelt werden kann.
0 Deutschland
0 10 100 1.000 10.000 100.000 - Potentielle Energieeinsparung in Deutschland Zum anderen kann hierbei abgeschätzt werden, wie hoch der maxi-
- Potentielle Emissionsreduktion (CO2) in Deutschland male Gewinn für Unternehmen sein könnte, wenn Konzeptleicht-
Abbildung 28: Anwendungsfelder im Bereich der Mobilität – Auswahl anhand von Umsatzgrößen und potentiellem Umsatzwachstum
(Werte in Bezug auf den deutschen Markt), Quelle: [BMVI2017, KBA2018] - Potentielles Marktvolumen bauanwendungen kostenneutral umgesetzt werden würden.
Auswahlkriterien für Fallbeispiele Die Szenarien spiegeln dabei jeweils einen „Best-Case“ und einen Der Mehrwert durch Erhöhung des Konzeptleichtbauanteils ist im
„Worst-Case“ Ansatz wider. Idealfall die Differenz zwischen den Herstellkosten von Fahrzeugen
CAGR in % mit signifikanten Konzeptleichtbauansätzen und den Fahrzeugen
25 Der Betrachtungsrahmen wird hierbei in einem ersten Schritt auf mit „klassischen“ Leichtbauansätzen.
Busse gesamt
g
den deutschen Markt gelegt. Zusätzlich werden insbesondere das
20
Stand 2012
Trucks gesamt Progn. Stand in 2020
15
Luft- und Raumfahrt
CAGR: Compound Annual Growth Rate;
10 gesamt Transport gesamt durrchschn. jährliche Wachstumsrate
Rahmenbedingungen der Marktpotentialbetrachtung
5 Auto gesamt
Schiene gesamt Schiffe gesamt
Kosten (Life Betriebs- und Entsorgungskosten
0 Marktgröße in Mrd. Instanthaltungskosten
0,1 1,0 10 100 1.000 Cycle Costs)
Fahrzeugpreis Second-Life /
„Leichtbau- Wiederverwertung
Abbildung 29: Anwendungsfelder – Auswahl anhand von Marktgrößen und potentiellem Marktwachstum (Beispiel: Umsatz mit mehrwert“
Leichtbaumaterialien Weltmarkt), Quelle: [Landesagentur2015]
Gewinnspanne
Folgende Fallbeispiele werden in den nachfolgenden Kapiteln ein- allbeispiel V: Ausblick – Adaptierbare und flexible
F Entwicklungs-
und Herstellkosten
gehend beschrieben: Fahrzeugkonzepte der Zukunft Lebenszyklus
Leichtbauanwendungen als Enabler-Technologie für neuartige Fahrzeugbeschaffung Betrieb End of Life
(nicht in Fallbeispiele einkalkuliert)
allbeispiel I: Laststufenangepasste Fahrzeugstrukturen
F Fahrzeugkonzepte (vgl. Kapitel 10, S.61)
Abbildung 30: Gewählter Ansatz zur Ableitung von Marktpotenzialen im Rahmen nachfolgenden Fallbeispiele; Quelle: eigene Darstellung
für konventionelle und hybride PKW Fallbeispiel VI: Übertragung auf andere Branchen –
Reine Betrachtung von beispielhaften Konzeptleichtbauansätzen Nutzen des Konzeptleichtbaus im Bereich Maschinenbau
(vgl. Kapitel 5, S.26) Reine Betrachtung von beispielhaften Konzeptleichtbauan-
Fallbeispiel II: Batterieelektrische Fahrzeuge (PKWs) sätzen (vgl. Kapitel 11, S.67) theoretisches max.-Potenzial
Reine Betrachtung von beispielhaften Konzeptleichtbauansätzen Max.
„Konzeptleichtbau“
„Konzeptleichtbau
(vgl. Kapitel 6, S.35) Die Fallbeispiele sind insbesondere auf den deutschen Markt bezo- Potenzial durch
„neue
Mehrwert
Ausblick Fallbeispiel III: Ausblick – (Voll autonome, gen, da zum einen ein bedeutender Markt mit 4 % – 5 % der Neufahr- Fahrzeugkonzepte“
elektrische) „Peoplemover“ als anforderungsangepasste zeuge des Weltmarkts repräsentiert wird (Neuzulassungen: ca. 3,4
Fahrzeuge Mio. PKWs im Vergleich zu ca. 80 Mio. PKW weltweit). Zum anderen
heute
Betrachtung des Fahrzeugkonzeptansatzes und möglicher stellt Deutschland einen eher gesättigten Markt dar mit CAGR
Basis
Leichtbauanwendungen (Bedingungs- / Anforderungsleichtbau Raten1 von ca. 1 % – 4 %, der konservativen Annahme und somit Anteil Konzeptleichtbau*)
0% 100 %
und Konzeptleichtbau, vgl. Kapitel 8, S.46) „Minimalpotenzialabschätzungen“ erlaubt und nicht durch überpro-
Fallbeispiel IV: Ausblick – (Voll autonome) portionale Wachstumsraten die Ergebnisse der Szenarien verzerrt.
Abbildung 31: Mehrwert durch kostenoptimale Konzeptleichtbauansätze; Quelle: eigene Darstellung
LKW-Sattelzugmaschine für den Fernverkehr
Betrachtung des Fahrzeugkonzeptansatzes und möglicher
Leichtbauanwendungen (Neue technische „Wirkprinzipien“
und Konzeptleichtbauansätzen, vgl. Kapitel 9, S.54)
1
CAGR: Compound Annual Growth Rate
24 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 25KAPITEL 5 5.2 ERLÄUTERUNG DES ANALYSIERTEN ANSATZES 5.2.1 DETAILBETRACHTUNG DER ANSÄTZE
FALLBEISPIEL I: LASTSTUFENANGEPASSTE Folgende technischen Fragestellungen werden im Rahmen des Fall- Durch die Vielzahl aktuell nachgefragter Produkt- und Fahrzeugva-
FAHRZEUGSTRUKTUREN FÜR KONVENTIO- beispiel I adressiert: rianten im PKW-Bereich hat sich die Plattform- und Baukastenlogik
NELLE UND HYBRIDE PKW durchgesetzt. Jedoch führt die große Spreizung der Aufbau- und An-
ie groß ist das Leichtbaupotenzial einer laststufenangepassten
W triebsvarianten zu signifikanten Masseunterschieden innerhalb ei-
KERNBOTSCHAFTEN Fahrzeugstruktur in Bezug auf das Karosseriegewicht und in Be- ner Baureihe / Plattform. Bei Aggregaten (Motor, Fahrwerk, etc.)
zug auf die Fahrzeugleermasse (inklusive Sekundärgewichtsef- können schon unterschiedliche Module an die jeweiligen Fahrzeug-
ffizienztechnologien wie Leichtbau werden noch verstärkt in
E Baukästen adressiert. Die weiterführende Diversität z. B. im Bereich fekte) von konventionellen und hybriden Fahrzeugen? und Gewichtsvarianten angepasst werden. Jedoch wird dies bisher
den nächsten Jahren notwendig sein, um die Zielsetzung zur der Antriebsstrangvarianten führt jedoch dazu, dass sehr unter- Welche Potenziale würden sich ergeben durch die Anwendung nur sehr eingeschränkt im Bereich der Karosserie umgesetzt, da
Energiereduzierung und Emissionsvermeidung im Sektor Ver- schiedlichste Varianten von Fahrzeugen auf einer Plattform abgebil- weiterer Konzeptleichtbauansätze? diese meistens auf die maximale Belastung ausgelegt wird.
kehr zu realisieren. det werden müssen. Die Grenze scheint dabei für rein batterieelek- Der hier dargestellte Konzeptleichtbauansatz liegt darin, die Karos-
Für die angenommenen Szenarien kann in Deutschland eine trische Fahrzeuge auf Grund der notwendigen Energiespeicher Die Definition des Betrachtungsraums erfolgt durch folgende Frage- serie basierend auf der Basisvariante der Plattform zu dimensionie-
Energieeinsparung in 2030 zwischen 115 Mio. kWh (Sz. 1) und schon in spezifischen Fahrzeugsegmenten erreicht zu sein. stellung: ren und „höhere Anforderungen“ durch eine Anpassung der Karos-
1.150 Mio. kWh (Sz. 2) erzielt werden. serie zu erfüllen (vgl. Abbildung 33).
In Bezug auf die Einsparung von Emissionen ergibt sich bei den „… Durch die große Spreizung der Aufbauvarianten und der An- elche Auswirkungen hätte diese Massereduktion in Bezug auf
W
angenommenen Szenarien Einsparpotenziale von 28.000 t CO2 triebsvarianten, können sich heute schon innerhalb einer Baureihe/ ökonomische und ökologische Effekte für ein Fahrzeug und für Beispielhaft könnte die Anpassung der Karosserie durch variable
(Sz. 1) bis 280.000 t CO2 (Sz. 2) im Jahr 2030. Plattform Gewichtsunterschiede von über 500 kg ergeben. … Auf alle Neuzulassungen der Fahrzeuge des deutschen Markts, ins- Karosserie-bauweisen und Geometrieoptimierung mit folgenden
Das mögliche Markpotenzial für Deutschland im Jahr 2030 liegt der Aggregateseite werden diese unterschiedlichen Lasten heute besondere in Bezug auf: Ansätzen realisiert werden.
bei maximal 3,6 Mrd. Euro (Annahmen für Szenario 2, inkl. Straf- meist durch entsprechende Baukästen beantwortet. … Bei den Ka- - Reduzierung des Energieverbrauchs
zahlungen). rosserien mit ihren lasttragenden Strukturen finden sich heute in - Reduzierung der CO2-Emissionen a) Optionale Lastpfade (Strukturoptimierung) - Abbildung 34
Konzeptleichtbauansätze stellen einen spezifischen Mehrwert nur sehr geringem Umfang Laststufenkonzepte wieder, da diese b) Verstärkung durch additive Fertigung - Abbildung 35
unter allen Leichtbauansätzen dar, da dieser Ansatz in einem üblicherweise zu Rohbauvarianten führen, die extreme Auswirkun- Der in diesem Fallbeispiel gewählte Umfang des Konzeptleichtbaus c) Skalierbare angepasste Crashstrukturen - Abbildung 36
frühen Stadium der Produktentwicklung ansetzt und somit un- gen auf die Logistik- und Produktionskomplexität haben und damit ist insbesondere in der Geometrie- und Bauraumoptimierung zu se-
nötige Kosten vermeidet (größeres Marktpotenzial). Hierfür sind hohe Investitionen im Produktionsbereich auslösen können. Abhilfe hen, der spezifisch auf die jeweiligen Anforderungen angepasst wird.
jedoch neue Wege notwendig, die Innovationspotenziale von können Verstärkungsmaßnahmen schaffen, die erst im Montage-
KMUs und Zulieferern aus Systemebene besser einbinden zu bereich des Fertigungsablaufs angebracht werden. Mit dieser Vor-
könnten. gehensweise lässt sich ein gewichtsoptimierter (Karosserie-) Basis- System- und
Leichtbauoptimierte Auswahl der Systemgrenzen
typ konzipieren, der so ausgelegt werden sollte, dass er das spätere Komponenten-
anforderungen - Karosseriestrukturen einer Fahrzeugplattform
5.1 KONZEPTLEICHTBAUANSÄTZE AUS BESTEHENDEN Volumenmodell möglichst genau abbildet. So werden schwächer
ARBEITEN UND LITERATURBESCHREIBUNGEN motorisierte Varianten durch Entfall und stärkere Varianten durch Komponenten-gestaltung
(BEISPIELHAFTER AUSZUG) Hinzufügen von rohbauseitigen Verstärkungsteilen wirtschaftlich Karosserien
darstellbar. … In der Zukunft werden diese Laststufenkonzepte
Im Rahmen der Fahrzeugentwicklungen und -produktion wurde in noch attraktiver, da mit dem Einzug von alternativen Antriebssyste- Geometrie- / „Basiskarosserie“
Bauraumoptimierung Leichtbauoptimierte
der Vergangenheit die Komplexität der Derivatvielfalt von Fahrzeu- men in die Plattformen die Gewichtsspreizung nochmals zunehmen +
Auswahl der
gen mittels Plattformstrategien, Modularisierungsvarianten und wird. …“ [Friedrich2017a] Systemschnittstellen
Verstärkungsstrukturen
- Antrieb, Fahrwerk,
Auswahl von optimierten
Wirkprinzipien /
Umsetzungsmöglichkeiten
Abbildung 32: Beispiel für rohbauseitige
Verstärkungsteile, die entfallen oder Abbildung 33: Einordnung des Konzeptleichtbauansatzes, Fallbeispiele; Quelle: eigene Darstellung
masseoptimiert werden können, wenn der
„Worst-Case“ einer Plattform nicht
berücksichtigt werden muss (z. B. 4-Zyl. Variante
ohne, 8-Zyl. Variante mit Verstärkungsteilen); Ansatz und technischen Beschreibung – Beispiel Bodensegment (konstruktive Interpretation einer Strukturoptimierung)
Quelle: [Schöpf]
Umsetzung der Lastpfade
Umsetzung der Lastpfade
Umsetzung der Lastpfade „Karosserie mit maximalen
„Karosserie mit höheren
„Basiskarosserie“ (Draufsicht) mit Anforderungen“ (Draufsicht) – Basis
Anforderungen“ (Draufsicht) – Basis
minimalen Anforderungen – für alle mit max. Verstärkungsstrukturen für
mit Verstärkungsstrukturen für einen
Fahrzeugvarianten den kleinsten Teil der
Teil der Fahrzeugvarianten
Fahrzeugvarianten
Abbildung 34: Optionale Lastpfade in der Fahrzeugbodenstruktur; Quelle: eigene Darstellung
26 Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen Mit Konzeptleichtbau ungenutzte Potenziale heben: Ökonomischer und ökologischer Nutzen 27Sie können auch lesen
